虚拟现实技术及其应用

2019-12-02高鹏

电子技术与软件工程 2019年22期

文/高鹏

虚拟现实技术主要以信息技术为核心，可以将人们的视觉、听觉以及触觉等融为一体的沉浸交互式虚拟环境，用户在这个三维环境中可以与物体展开交互，为用户带来更加真实的体验感。虚拟现实技术可以通过仿真手段代替生活中比较危险的、难以达到的场景，给人以如临其境般的感受。

1 虚拟现实技术概述

虚拟现实技术是一种环境仿真技术，它是随着计算机仿真、图像处理、传感器技术等发展起来的，当下，随着信息技术的广泛应用，为什么的生活带来翻天覆地的变化，并在一些特有领域中发挥其重要价值。在二十世纪中期，有声模拟的出现标志着虚拟技术开始形成，而到了二十世纪末期，在有声模式的基础上出现了新型的仿真技术以及传感技术，这为模拟技术的发展提供了新思路，也标志着虚拟现实技术逐渐成熟化。

虚拟现实技术主要是通过环境模拟、人机交互以及网络通信技术等进行衡量的，核心技术是环境模拟，可以利用人的视觉、听觉、触觉来增强人们的体验的真实性；网络通信可以实现人与机器部件连接的主要手段；人机交互通过一些硬件设施来保证环境模拟效果，需要相应的设备以及硬件支持，如虚拟头盔等。

2 环境模拟

2.1 虚拟视觉和听觉

我们人眼主要是利用视网膜成像的原理，并通过视觉神经的配合来观看三维图像。我们在弄懂人眼成像原理后，需要模拟人眼来进行视觉构建，就如同观看3D 电影那样，当我们佩戴3D 眼镜后，会发现屏幕上的图像信息由2D 变成3D 效果，这是3D 眼镜具有一定的图像处理效果，将图像传递到人们视觉神经，由视觉神经输出并形成三维图像，给人以身临其境的感受。要想保证虚拟现实技术可以准确的传递到人们视觉神经中，就需要利用CRT 显示器、头盔显示器等技术来保证增强画面立体感。虽然这种方式呈现出的三维图像会存在一定的缺陷，如成像不自然、增加人眼疲劳感等。

听觉模拟技术与音频技术有着密不可分的关联。听觉模拟重点在声音模拟的准确性以及声源方位性，它们都是听觉模拟中关键的技术手段，因为听觉信息往往不会单独存在，它需要其它感官信息的配合，尤其是在某个特定的环境场景中都需要保证声音高度真实，这也会对人们虚拟现实体验感受带来直接影响。

2.2 虚拟触觉

虚拟触觉也是虚拟现实环境的重要组成部分，对人们的物理反应带来直接的影响，也是身体联动的最直接方式之一。而要想达到联动效果，就需要保证人体能感知到信息从而做出相应的反应，一般来说，人的感知力是非常敏感的，一般的装置也难以满足人们感知的需求，这也为我国虚拟触觉装置带来一定考验，因为触觉系统好坏会影响最终的虚拟现实效果，因此，人们正积极开展器官联动的方式来促进触觉感知，并取得一定成效，但多需要视觉配合来实现。

3 虚拟现实研究现状及应用

当下，我国各个领域中都以开展对虚拟现实技术的应用，并取得良好的应用效果，虽然此项技术还尚未完全发展成熟，但基本规模已经相对完善，下面将对虚拟现实技术在我国军事、医疗以及教育领域中应用进行简单概述。

3.1 虚拟战场应用

现代战争作为信息化的技术手段，传统的训练方式无法还原战场的真实情况，而通过对虚拟现实技术的应用，则可以很好地去解决这个问题，结合我国军事装备实际情况来构建相应的虚拟战场，在这种环境下，士兵会利用相应的硬件设施来融入到虚拟环境中，并通过模拟战场环境、武器装备以及作战人员的方给人以身临其境的感受，也便于士兵做出相应的联动反应。除此之外，作战模拟也需要战队成员间相互配合，虚拟现实技术也可以很好地实现这一要求，利用网络信息传递来保证士兵间的良好沟通，为了提高作战真实性，对于在模拟作战中死亡的士兵还会中断其与队友的联系，使作战场景更加丰富，对作战人员也带来一定的考验。

3.2 训练场模拟应用

除了战场模拟外，虚拟现实技术还可以应用到训练场模拟中来，由于现实场景很难满足单兵训练的需要，且很容易受到外部环境的影响，从而大大降低了训练效果。而通过对虚拟现实技术的应用，可以建立各种现实无法实现的训练场景，如暴雨、沙尘、负伤等，满足不同场合训练需要。同时还可以利用立体头盔、数据服等设备来增强模拟效果，对士兵心理素质以及作战水平带来一定考验。与传统实地训练相比，虚拟现实技术的应用可以大大提高士兵的作战效率，场景体验感强，且操作简单，相信随着科技水平的提升，虚拟现实技术在训练场景模拟中的应用也会越来越先进，也必将会成为今后军事训练的重要手段。

3.3 教育领域应用

我国教育领域也积极开展了对虚拟现实技术的应用，通过教学模拟以及虚拟校园构建等方式，模拟一些无法实现的操作场景，来提高教学有效性，增强学生的感官体验，提高学生学习积极性。如在地理课堂、生物课堂教学中，传统的教学方法只能通过视频课件、图片等方式来为学生展示板块运动规律以及洋流运动等相关内容，这种方式虽然可以将一些地理课程直观的呈现出来，并且利用立体头盔等一些传感设备来促进学生与课程间的交融，从而大大提高学生学习积极性，也能够使教学质量得到保证。此外，像一些需要做实验的学科，如物理、化学等学科要想完整的将实验内容展示出来，需要一定的教学设备以及教学条件，同时一些具有危险性的操作是教师无法展示的，而通过利用虚拟现实技术可以在虚拟环境中建立相应的实验平台，给学生带来更真实的学习感受，但这种方法通常只适用于课堂教学，在一些科研领域中还需要展开进一步探究。

3.4 虚拟校园构建

虚拟校园构建也是当下较为重要的课题，学校的主要职能是教学，为学生创造一个良好的教学环境，可以利用虚拟现实技术来构建相应的虚拟环境，也就是虚拟校园，在虚拟校园中结合学生的学习条件展开合理的课程设置，还可以通过教务处理的方式来提高教学有效性。如此学生便可以利用远程方式来访问虚拟学校，并选择自己所感兴趣的活动，从而大大提高教育效率，还能够减少不必要的教育支出，但这种手段不能代替正常教学活动，如果过于依赖反而会影响学生之间的交流，应展开合理使用。

3.5 交通运输应用

虚拟现实对交通的仿真，可以建立可视化的交通场景再现，分析在不同交通环境下可能出现的交通行为，从而找出合理的解决方法，对当下我国交通运输设计、管理等方案展开合理测评，并进行积极改正，虚拟现实交通需要通过建立仿真场景、交通仿真以及人机交互等方式来展开的。同时，需要结合不同对象来对仿真环境进行具体分类，如轨道交通仿真、航空交通仿真以及行人仿真等等，

其目的是为了给行人提供更安全、便利的交通环境，通过行人的感知来做出相应的改进，使交通设计朝着更加人性化的方向发展。

4 虚拟现实技术前景展望

尽管当下虚拟现实技术在各个领域中得到很好的应用，并取得良好的应用效果，但这种技术也存在一定的缺陷，还没有正式的融入到人们日常生活中，具体体现在：首先体验效果方面存在问题。现阶段我国的虚拟现实技术无法有效的开展生态立体化的环境模拟，在与人进行交互的过程中会出现反应慢、灵敏性差的缺陷，一些敏感项目主要集中在游戏体验中；其次研究内容过于于单一。综上所述，目前我国虚拟现实技术方面的研究多集中在视觉环境模拟上，在其他感官方面的研究还稍显不足，虽然人们多更关注自己的视觉感官体验，但如果只重视觉感官体验而忽视其它感官体验，用户的整体感受会大大下降，对最终的模拟效果也会带来影响；再次体验感不足。在已有的虚拟环境条件下，体验人员无法长时间去感受虚拟场景，有着一定的疲劳作用，给人身体带来一定的不适，还需进一步改进；最后技术的复杂性以及市场化问题。当下我国虚拟现实技术不论从内部代码还是平台开发对技术要求较高，且程序复杂，这也是阻碍虚拟现实技术融入人们生活中的关键因素，希望可以不断的改进、简化步骤。此外，由于虚拟现实技术以及设备较贵，且用户体验感一般，这也限制了其今后的发展空间，要想对其进行市场化推广，首先要解决成本方面的问题，但不论哪种限制因素，都不可否认虚拟现实技术的先进性，相信随着科技水平的提升，今后虚拟现实技术一定会有更广阔的发展空间，智能时代的到来它也将对人类社会带来积极的改变。